A compressão de vídeo é essencial para aplicações de vídeo digital. Devido ao elevado volume de informações contidas em um vídeo digital, um processo de compressão é aplicado antes de ser armazenado ou transmitido. O padrão H.264/AVC é considerado o estado-da-arte em termos de compressão de vídeo, introduzindo um conjunto de ferramentas inovadoras em relação a padrões anteriores. Tais ferramentas possibilitam um ganho significativo em compressão, ao preço de um aumento na complexidade. A predição intra-quadro é uma das ferramentas inovadoras do padrão H.264/AVC, responsável por reduzir a redundância espacial do vídeo utilizando informações contidas em um único quadro para predição. A predição intra-quadro do H.264/AVC possibilita ganhos de compressão em comparação com os mais usados padrões de compressão de imagens estáticas, o JPEG e JPEG 2000, mas introduz complexidade no projeto do codificador de vídeo, especialmente quando se torna necessário atingir o desempenho para codificar vídeos de alta definição em tempo-real. Neste contexto, a presente dissertação apresenta a proposta e o desenvolvimento de uma arquitetura de hardware dedicada para a predição intra-quadro, presente nos codificadores compatíveis com o padrão H.264/AVC de compressão de vídeo. A arquitetura desenvolvida codifica vídeos de alta definição em tempo-real utilizando uma frequência de operação 46% menor que o melhor trabalho encontrado na literatura. A arquitetura desenvolvida será integrada, futuramente, em um codificador de vídeo em hardware compatível com o padrão H.264/AVC no perfil Main. / Video coding is essential in digital video applications, due to the extremely high data volume present in a digital video to be stored or transmitted through a physical link. H.264/AVC is the state-of-the-art video coding standard, introducing a set of novel features when compared to former standards. A significant gain in terms of bit-rate has been obtained but the increase of complexity of the codec when compared to other video coding standard is inevitable. Intra-frame Prediction is a novel feature introduced with H.264/AVC, which is responsible for reducing a video spatial redundancy using only information in the same frame for prediction. H.264/AVC intra-frame prediction can provide compression gains when compared with state-of-art still image coding standards, like JPEG and JPEG 2000, but introduces complexity and latency to video encoder design, mainly when high definition video coding is needed. In this context, this thesis presents the proposal and development of an intra-frame prediction dedicated hardware architecture for H.264/AVC compatible video encoder. The developed architecture achieved the performance to encode high definition video in real-time with 46% reduction in clock frequency compared with the best results found in the literature. In the future, the developed architecture can be integrated to a fully compatible H.264/AVC main profile hardware encoder.

As inovações tecnológicas têm propiciado transformações nas formas de interação e, principalmente, na comunicação entre as pessoas. Os avanços nas áreas de tecnologia da informação e comunicações abriram novos horizontes para a criação de demandas até então não existentes. Nesse contexto, a utilização de vídeo digital de alta definição para aplicações de tempo real ganha ênfase. Entretanto, os desafios envolvidos na manipulação da quantidade de informações necessárias à sua representação, fomentam pesquisas na indústria e na academia para minimizar os impactos sobre a largura de banda necessária para transmissão e/ou no espaço para o seu armazenamento. Para enfrentar esses problemas diversos padrões de compressão de vídeo têm sido desenvolvidos sendo que, nesse aspecto, o padrão H.264/AVC é considerado o estado da arte. O padrão H.264/AVC introduz ganhos significativos na taxa de compressão, em relação a seus antecessores, porém esses ganhos vêem acompanhados pelo aumento na complexidade computacional das ferramentas aplicadas como, por exemplo, a Codificação Aritmética Binária Adaptativa ao Contexto (CABAC). A complexidade computacional relacionado ao padrão H.264/AVC é tal que torna impraticável sua execução em software (para operar em um processador de propósito geral, ao menos para nos disponíveis atuais) com a finalidade de realizar a codificação ou decodificação em tempo real para sequências de vídeo de alta definição. Esta dissertação apresenta uma arquitetura de hardware para o processo de decodificação do CABAC, conforme especificação do padrão H.264/AVC. Tendo o objetivo de contribuir para a resolução de alguns dos problemas relacionados à tarefa de decodificação de vídeo de alta definição em tempo real. Para isso, apresenta-se uma introdução sobre conceitos fundamentais da compressão de dados e vídeo digital, além da discussão sobre as principais características do padrão H.264/AVC. O conjunto de algoritmos presentes no CABAC e o fluxo de decodificação do CABAC são descritos em detalhes. Para fundamentar as decisões de projeto um vasto conjunto de experimentos foi realizado para analisar o comportamento do bitstream durante o processo de decodificação do CABAC. A arquitetura de hardware proposta e desenvolvida é apresentada em detalhes, tendo seu desempenho comparado com outras propostas encontradas na literatura. Os resultados obtidos mostram que a arquitetura desenvolvida é eficaz em seu objetivo, pois atinge a capacidade de processamento de vídeos em alta definição (HD1080p) em tempo real. Além disso, os experimentos realizados deram origem a observações inovadoras, que permitiram determinar os pontos chave para minimizar os gargalos inerentes ao conjunto de algoritmos que compõe o CABAC. / The technological innovations of recent decades have brought changes in the forms of human interaction especially in communication area. Advances in the areas of information technology and communications opened new horizons for creating demands non-existent so far. In this scenario the high-definition digital video for real-time applications has gained emphasis for this context. However, the challenges involved in handling the amount of information necessary for its representation, promoting research in industry and academia to minimize the impact on the bandwidth needed for transmission and / or the space for the storage. To address those problems several video compression standards have been developed and the H.264/AVC standard is the state-of-the-art. The H.264/AVC standard introduces significant gains in compression rate, compared to its predecessors. These gains are obtained by an increase in computational complexity of the techniques used, such as the CABAC. The computational requirements of H.264/AVC standard is so strong that make its implementation impractical in software (to operate on a general purpose processor) for the purpose of performing encoding or decoding in real time for high-definition video sequences. This dissertation presents a new CABAD architecture with the implementation in hardware intended to solve the problems related to the task of decoding high-definition video in real time. An introduction to fundamental concepts of data compression and digital video is presented, in addition to discussing the main features of the H.264/AVC standard. The set of algorithms the CABAC and of the CABAD decode flow are described in detail. A wide number of experiments were conducted to identify the static and dynamic behavior of the bitstream to support the design decisions. At the end the developed architecture is examined and compared with other proposals found in literature. The results show that the architecture developed is effective in its purpose to handle high-definition video (HD1080p) in real time. Furthermore, the experiments have led to innovative observations to determine the key points to minimize the bottlenecks inherent in the set of algorithms that make the CABAD.

O processo de compressão de vídeo é essencial para aplicações que utilizam vídeos digitais. O alto volume de informações contidas em um vídeo digital requer que um processo de compressão seja aplicado antes de este ser armazenado ou transmitido. O padrão H.264/AVC, estado-da-arte em termos de compressão de vídeo, introduziu um conjunto de ferramentas inéditas em relação a outros padrões, as quais possibilitam um ganho significativo em eficiência de compressão, diminuindo a taxa de bits sem perda na qualidade da imagem. Contudo, o preço deste ganho reside em um significativo aumento na complexidade de codificação. No padrão H.264/AVC, a codificação pode acontecer de acordo com um dos treze modos de codificação intra-quadro ou de acordo com um dos oito tamanhos de bloco disponíveis para a predição inter-quadros. A escolha de melhor modo utilizada pelo software de referência do padrão (JM 17.1) é baseada em uma busca exaustiva pelo melhor modo, realizando a codificação repetidamente para todos os modos até que o menor custo em termos de taxa de bits e distorção seja encontrado. Esta decisão aumenta drasticamente o fluxo de codificação, muitas vezes impossibilitando a codificação de vídeos digitais em tempo real. Neste contexto, a presente dissertação apresenta o estudo e o desenvolvimento de um conjunto de heurísticas que possibilitam a avaliação do melhor modo de codificação de bloco em um processo mais rápido que o usado pelo software de referência. Ao invés da realização do fluxo completo de codificação para todos os modos seguida por uma avaliação do melhor caso, propõe-se um conjunto de análises prévias que convergem para a decisão de apenas um modo de codificação. A redução atingida no número de repetições do processo de codificação foi de quarenta e sete vezes, ao custo de um aumento relativamente pequeno na taxa de bits. Quando comparada com outros trabalhos, a decisão rápida atingiu resultados expressivamente mais satisfatórios em termos de complexidade computacional, sem perda de qualidade ou aumento de taxa de bits significativo. Foram desenvolvidas arquiteturas de hardware que implementam as heurísticas propostas. A arquitetura de decisão intra-quadro atingiu uma frequência máxima de 105 MHz, enquanto que a arquitetura de decisão inter-quadros apresentou uma frequência de 118 MHz para dispositivos FPGA Virtex 5 da Xilinx, sendo ambas capazes de processar vídeos de alta definição em tempo real. / The video compression process is essential in digital video applications, due to the extremely high data volume present in a digital video to be stored or transmitted through a physical link. H.264/AVC, the state-of-art video coding standard, introduces a set of novel features which lead to a significant gain in terms of compression efficiency, decreasing the bit-rate without image quality losses. However, the price of this gain resides at a high complexity increase. In H.264/AVC, the encoding process can occur according to one of the thirteen intra-frame coding modes or according to one of the eight available inter-frames block sizes. In the reference software (JM 17.1), the choice of the best mode is performed through exhaustive executions of the whole encoding process. The mode which presents the lowest cost in terms of required bit-rate and image distortion is then chosen. This decision process increases significantly the encoding process, sometimes even forbidding its use in real time video coding applications. Considering this context, this thesis presents a study and the development of a set of heuristics which allow the evaluation of the best coding mode in a process which is faster than the one used by the reference software. Instead of performing the whole encoding flow for all the possible modes followed by an evaluation of the best case, this work proposes a set of pre-analysis which converge to the selection of one encoding mode. The reduction achieved in the number of repetitions of the encoding process is of forty seven times, at the cost of a relatively small bit-rate increase. When compared to other works, the fast mode decision results are expressively more satisfactory in terms of computational complexity, with no image quality loss or significant bit-rate increase. The hardware architectures which implement the proposed heuristics were also developed in this work. The architecture for intra-frame decision achieved a maximum frequency of 105 MHz, while the architecture for inter-frames decision presented a maximum frequency of 118 MHz for Virtex 5 FPGAs from Xilinx. They are both capable of processing high definition videos in real time.

Este trabalho apresenta uma arquitetura de hardware para a predição intra-quadro do padrão emergente HEVC de codificação de vídeo. O padrão HEVC está sendo desenvolvido tendo como principal objetivo o aumento em 50% na eficiência de compressão, quando comparado com o padrão H.264/AVC, atual padrão estado da arte na codificação de vídeos. Para atingir este objetivo, várias novas ferramentas de codificação foram desenvolvidas para serem introduzidas no novo padrão HEVC. Embora essas novas ferramentas tenham obtido êxito em aumentar a eficiência de compressão do novo padrão HEVC, elas também colaboraram para o aumento da complexidade computacional no processo de codificação. Analisando somente os avanços na predição intra-quadro, em comparação com o padrão H.264/AVC, é possível perceber que vários novos modos direcionais de codificação foram inseridos no processo de predição. Além disso, existem mais tamanhos de blocos que podem ser considerados pela predição intra-quadro. Nesse contexto, este trabalho propõe o uso de duas abordagens para melhorar o desempenho da predição intra-quadro em codificadores HEVC. Primeiramente, foram desenvolvidos algoritmos rápidos de decisão de modo, baseados em heurísticas, para a predição intra-quadro. Os resultados mostraram que é possível reduzir a complexidade computacional do processo de predição intra-quadro com pequenas perdas na eficiência de compressão (taxa de bits e qualidade visual). No pior caso, a perda foi de 6.9% na taxa de bits e de 0.12dB na qualidade, para uma redução de 35% no tempo de processamento. Em seguida, utilizando um dos algoritmos desenvolvidos, uma arquitetura de hardware para a predição intra-quadro foi desenvolvida. Além da redução de complexidade proporcionada pelo uso do algoritmo desenvolvido, técnicas de desenvolvido de hardware, tais como aumento no nível de paralelismo e uso de pipeline, também foram utilizadas para melhorar o desempenho da arquitetura desenvolvida. Os resultados de síntese da arquitetura para a tecnologia IBM 0,65um mostram que ela é capaz de operar a 500MHz, atingindo uma taxa de processamento suficiente para realizar a predição intra-quadro de mais de 30 quadros por segundo para resoluções como Full HD (1920x1080pixels). / This work presents an intra-frame prediction hardware architecture targeting the emerging HEVC video coding standard. The HEVC standard is being developed with the main goal of increase the compression efficiency in 50% when compared to the latest H.264/AVC video coding standard. To achieve such a goal, several new video coding strategies were developed to be used in the HEVC. Although these strategies have increased the compression efficiency of the emerging HEVC standard, it also increased the computational complexity of the encoding process. Looking only to the intra prediction process, several new directional modes are used to perform the prediction. Besides, there are more block sizes that can be supported by the intra prediction process. This work proposes to use two different approaches to improve the HEVC intra prediction performance. First we developed fast intra mode decision algorithms, showing that it is possible to decrease the intra prediction computational complexity with negligible loss in the compression performance (bit-rate and video quality). In the worst case, the bit-rate loss was 6.99% and the PSNR loss was 0.12dB in average allowing reducing the encoding time up to 35%. Then, using the developed fast algorithms as base, this work proposes an intra prediction hardware architecture. The designed architecture was specifically based on one of the developed fast intra mode decision algorithms. Besides, hardware techniques such as increase the parallelism level and pipeline were also used to improve the intra prediction performance. The synthesis results for the IBM 0.65nm have shown that the architecture is able to achieve 500MHz as maximum operation frequency. This way, the architecture throughput is enough to perform the intra prediction process for more than 30 frames per second considering high resolution digital videos, such as Full HD (1920x1080).

A evolução dos processos de fabricação de circuitos microeletrônicos coloca um número cada vez maior de dispositivos à disposição do projetista de circuitos integrados. Mais e mais funcionalidades são adicionadas aos equipamentos eletrônicos com um aumento correspondente no esforço de projeto. Aplicações de multimídia e comunicação digital, por exemplo, são muito populares e integram funções cada vez mais complexas. As janelas de mercado diminuem com a grande competição por novos produtos. Este cenário desafia os projetistas: são necessárias novas metodologias. Para aumentar a produtividade de uma equipe de projeto, é imprescindível a utilização de um nível de abstração mais alto. O mesmo sistema pode ser descrito por um número menor de primitivas se a linguagem de descrição possuir primitivas semanticamente mais ricas. Este é o chamado projeto baseado em reuso, onde módulos são desenvolvidos para responderem necessidades mais genéricas e serem reconfiguráveis. Além disso, devem seguir algum padrão de interface de comunicação. Aplicações multimídia são muito complexas. Na área de compressão de vídeo, por exemplo, há uma grande quantidade de processamento para permitir a compressão dos dados. Áudio e vídeo geram uma grande quantidade de dados. É imperativo comprimir os dados de maneira a permitir o seu armazenamento/transmissão através de recursos limitados. H.264 é a evolução dos padrões de compressão de vídeo digital, como H.263 ou MPEG-2, e a sua implementação só é possível graças ao progresso da microeletrônica. O desenvolvimento de um decodificador H.264 é um exemplo de um projeto de sistema digital complexo, visto como uma composição de módulos que executam as diferentes operações sobre o sinal. O foco deste trabalho é a metodologia para a construção de sistemas digitais a partir de funções já prontas, em um fluxo de projeto que permita o projeto e o teste baseados em reuso. O caso de estudo, o decodificador H.264, é analisado como um sistema composto por alguns módulos e o resultado é uma metodologia SoC apropriada para ele. Este trabalho levará a uma descrição de como o decodificador foi desenvolvido, uma vez que as técnicas de processamento e os desafios de implementação tenham sido completamente compreendidos. / The evolution of the manufacturing process of microelectronic circuits offers an ever increasing number of devices to the chip designer. More and more functionalities are added to the electronic equipments with a corresponding increase in design effort. Multimedia and digital communication applications, for example, are very popular and integrate each time more complex functions. The time-to-market reduces with the competition for new products. This scenario challenges the circuit designers: new methodologies are needed. To increase the productivity of a design team, higher level of abstraction must be used. The same system can be described with less number of primitives if the description language has primitives semantically richer. One primitive can call a pre-designed module giving a hierarchical design process. This is the so called reuse based design, because modules are developed to respond general needs and made reconfigurable and they must follow some standards of communication interfaces. Multimedia applications are very complex. For video compression, for example, we need a big amount of processing in order to realize data compressing. Audio and video generate a big amount of data. It is imperative to compress the data to allow its storage/transmission through limited resources. H.264 is the evolution of video compression standards, like H.263 or MPEG-2, and its implementation is only possible due to microelectronics progress. Its development is an example of a complex digital system design, and can be seen as a composition of modules that execute the different signal operations. The focus here is the methodology for building digital systems from functions already developed, in a design flow that facilitates reuse-based design and test. The case study, an H.264 decoder, is analyzed as a system made of several modules and the result is a SoC methodology fashioned for it. This work presents a description of how the decoder was developed, after the complete understanding of all the involved processing techniques and design implementation challenges.

As inovações tecnológicas têm propiciado transformações nas formas de interação e, principalmente, na comunicação entre as pessoas. Os avanços nas áreas de tecnologia da informação e comunicações abriram novos horizontes para a criação de demandas até então não existentes. Nesse contexto, a utilização de vídeo digital de alta definição para aplicações de tempo real ganha ênfase. Entretanto, os desafios envolvidos na manipulação da quantidade de informações necessárias à sua representação, fomentam pesquisas na indústria e na academia para minimizar os impactos sobre a largura de banda necessária para transmissão e/ou no espaço para o seu armazenamento. Para enfrentar esses problemas diversos padrões de compressão de vídeo têm sido desenvolvidos sendo que, nesse aspecto, o padrão H.264/AVC é considerado o estado da arte. O padrão H.264/AVC introduz ganhos significativos na taxa de compressão, em relação a seus antecessores, porém esses ganhos vêem acompanhados pelo aumento na complexidade computacional das ferramentas aplicadas como, por exemplo, a Codificação Aritmética Binária Adaptativa ao Contexto (CABAC). A complexidade computacional relacionado ao padrão H.264/AVC é tal que torna impraticável sua execução em software (para operar em um processador de propósito geral, ao menos para nos disponíveis atuais) com a finalidade de realizar a codificação ou decodificação em tempo real para sequências de vídeo de alta definição. Esta dissertação apresenta uma arquitetura de hardware para o processo de decodificação do CABAC, conforme especificação do padrão H.264/AVC. Tendo o objetivo de contribuir para a resolução de alguns dos problemas relacionados à tarefa de decodificação de vídeo de alta definição em tempo real. Para isso, apresenta-se uma introdução sobre conceitos fundamentais da compressão de dados e vídeo digital, além da discussão sobre as principais características do padrão H.264/AVC. O conjunto de algoritmos presentes no CABAC e o fluxo de decodificação do CABAC são descritos em detalhes. Para fundamentar as decisões de projeto um vasto conjunto de experimentos foi realizado para analisar o comportamento do bitstream durante o processo de decodificação do CABAC. A arquitetura de hardware proposta e desenvolvida é apresentada em detalhes, tendo seu desempenho comparado com outras propostas encontradas na literatura. Os resultados obtidos mostram que a arquitetura desenvolvida é eficaz em seu objetivo, pois atinge a capacidade de processamento de vídeos em alta definição (HD1080p) em tempo real. Além disso, os experimentos realizados deram origem a observações inovadoras, que permitiram determinar os pontos chave para minimizar os gargalos inerentes ao conjunto de algoritmos que compõe o CABAC. / The technological innovations of recent decades have brought changes in the forms of human interaction especially in communication area. Advances in the areas of information technology and communications opened new horizons for creating demands non-existent so far. In this scenario the high-definition digital video for real-time applications has gained emphasis for this context. However, the challenges involved in handling the amount of information necessary for its representation, promoting research in industry and academia to minimize the impact on the bandwidth needed for transmission and / or the space for the storage. To address those problems several video compression standards have been developed and the H.264/AVC standard is the state-of-the-art. The H.264/AVC standard introduces significant gains in compression rate, compared to its predecessors. These gains are obtained by an increase in computational complexity of the techniques used, such as the CABAC. The computational requirements of H.264/AVC standard is so strong that make its implementation impractical in software (to operate on a general purpose processor) for the purpose of performing encoding or decoding in real time for high-definition video sequences. This dissertation presents a new CABAD architecture with the implementation in hardware intended to solve the problems related to the task of decoding high-definition video in real time. An introduction to fundamental concepts of data compression and digital video is presented, in addition to discussing the main features of the H.264/AVC standard. The set of algorithms the CABAC and of the CABAD decode flow are described in detail. A wide number of experiments were conducted to identify the static and dynamic behavior of the bitstream to support the design decisions. At the end the developed architecture is examined and compared with other proposals found in literature. The results show that the architecture developed is effective in its purpose to handle high-definition video (HD1080p) in real time. Furthermore, the experiments have led to innovative observations to determine the key points to minimize the bottlenecks inherent in the set of algorithms that make the CABAD.

O processo de compressão de vídeo é essencial para aplicações que utilizam vídeos digitais. O alto volume de informações contidas em um vídeo digital requer que um processo de compressão seja aplicado antes de este ser armazenado ou transmitido. O padrão H.264/AVC, estado-da-arte em termos de compressão de vídeo, introduziu um conjunto de ferramentas inéditas em relação a outros padrões, as quais possibilitam um ganho significativo em eficiência de compressão, diminuindo a taxa de bits sem perda na qualidade da imagem. Contudo, o preço deste ganho reside em um significativo aumento na complexidade de codificação. No padrão H.264/AVC, a codificação pode acontecer de acordo com um dos treze modos de codificação intra-quadro ou de acordo com um dos oito tamanhos de bloco disponíveis para a predição inter-quadros. A escolha de melhor modo utilizada pelo software de referência do padrão (JM 17.1) é baseada em uma busca exaustiva pelo melhor modo, realizando a codificação repetidamente para todos os modos até que o menor custo em termos de taxa de bits e distorção seja encontrado. Esta decisão aumenta drasticamente o fluxo de codificação, muitas vezes impossibilitando a codificação de vídeos digitais em tempo real. Neste contexto, a presente dissertação apresenta o estudo e o desenvolvimento de um conjunto de heurísticas que possibilitam a avaliação do melhor modo de codificação de bloco em um processo mais rápido que o usado pelo software de referência. Ao invés da realização do fluxo completo de codificação para todos os modos seguida por uma avaliação do melhor caso, propõe-se um conjunto de análises prévias que convergem para a decisão de apenas um modo de codificação. A redução atingida no número de repetições do processo de codificação foi de quarenta e sete vezes, ao custo de um aumento relativamente pequeno na taxa de bits. Quando comparada com outros trabalhos, a decisão rápida atingiu resultados expressivamente mais satisfatórios em termos de complexidade computacional, sem perda de qualidade ou aumento de taxa de bits significativo. Foram desenvolvidas arquiteturas de hardware que implementam as heurísticas propostas. A arquitetura de decisão intra-quadro atingiu uma frequência máxima de 105 MHz, enquanto que a arquitetura de decisão inter-quadros apresentou uma frequência de 118 MHz para dispositivos FPGA Virtex 5 da Xilinx, sendo ambas capazes de processar vídeos de alta definição em tempo real. / The video compression process is essential in digital video applications, due to the extremely high data volume present in a digital video to be stored or transmitted through a physical link. H.264/AVC, the state-of-art video coding standard, introduces a set of novel features which lead to a significant gain in terms of compression efficiency, decreasing the bit-rate without image quality losses. However, the price of this gain resides at a high complexity increase. In H.264/AVC, the encoding process can occur according to one of the thirteen intra-frame coding modes or according to one of the eight available inter-frames block sizes. In the reference software (JM 17.1), the choice of the best mode is performed through exhaustive executions of the whole encoding process. The mode which presents the lowest cost in terms of required bit-rate and image distortion is then chosen. This decision process increases significantly the encoding process, sometimes even forbidding its use in real time video coding applications. Considering this context, this thesis presents a study and the development of a set of heuristics which allow the evaluation of the best coding mode in a process which is faster than the one used by the reference software. Instead of performing the whole encoding flow for all the possible modes followed by an evaluation of the best case, this work proposes a set of pre-analysis which converge to the selection of one encoding mode. The reduction achieved in the number of repetitions of the encoding process is of forty seven times, at the cost of a relatively small bit-rate increase. When compared to other works, the fast mode decision results are expressively more satisfactory in terms of computational complexity, with no image quality loss or significant bit-rate increase. The hardware architectures which implement the proposed heuristics were also developed in this work. The architecture for intra-frame decision achieved a maximum frequency of 105 MHz, while the architecture for inter-frames decision presented a maximum frequency of 118 MHz for Virtex 5 FPGAs from Xilinx. They are both capable of processing high definition videos in real time.

A evolução dos processos de fabricação de circuitos microeletrônicos coloca um número cada vez maior de dispositivos à disposição do projetista de circuitos integrados. Mais e mais funcionalidades são adicionadas aos equipamentos eletrônicos com um aumento correspondente no esforço de projeto. Aplicações de multimídia e comunicação digital, por exemplo, são muito populares e integram funções cada vez mais complexas. As janelas de mercado diminuem com a grande competição por novos produtos. Este cenário desafia os projetistas: são necessárias novas metodologias. Para aumentar a produtividade de uma equipe de projeto, é imprescindível a utilização de um nível de abstração mais alto. O mesmo sistema pode ser descrito por um número menor de primitivas se a linguagem de descrição possuir primitivas semanticamente mais ricas. Este é o chamado projeto baseado em reuso, onde módulos são desenvolvidos para responderem necessidades mais genéricas e serem reconfiguráveis. Além disso, devem seguir algum padrão de interface de comunicação. Aplicações multimídia são muito complexas. Na área de compressão de vídeo, por exemplo, há uma grande quantidade de processamento para permitir a compressão dos dados. Áudio e vídeo geram uma grande quantidade de dados. É imperativo comprimir os dados de maneira a permitir o seu armazenamento/transmissão através de recursos limitados. H.264 é a evolução dos padrões de compressão de vídeo digital, como H.263 ou MPEG-2, e a sua implementação só é possível graças ao progresso da microeletrônica. O desenvolvimento de um decodificador H.264 é um exemplo de um projeto de sistema digital complexo, visto como uma composição de módulos que executam as diferentes operações sobre o sinal. O foco deste trabalho é a metodologia para a construção de sistemas digitais a partir de funções já prontas, em um fluxo de projeto que permita o projeto e o teste baseados em reuso. O caso de estudo, o decodificador H.264, é analisado como um sistema composto por alguns módulos e o resultado é uma metodologia SoC apropriada para ele. Este trabalho levará a uma descrição de como o decodificador foi desenvolvido, uma vez que as técnicas de processamento e os desafios de implementação tenham sido completamente compreendidos. / The evolution of the manufacturing process of microelectronic circuits offers an ever increasing number of devices to the chip designer. More and more functionalities are added to the electronic equipments with a corresponding increase in design effort. Multimedia and digital communication applications, for example, are very popular and integrate each time more complex functions. The time-to-market reduces with the competition for new products. This scenario challenges the circuit designers: new methodologies are needed. To increase the productivity of a design team, higher level of abstraction must be used. The same system can be described with less number of primitives if the description language has primitives semantically richer. One primitive can call a pre-designed module giving a hierarchical design process. This is the so called reuse based design, because modules are developed to respond general needs and made reconfigurable and they must follow some standards of communication interfaces. Multimedia applications are very complex. For video compression, for example, we need a big amount of processing in order to realize data compressing. Audio and video generate a big amount of data. It is imperative to compress the data to allow its storage/transmission through limited resources. H.264 is the evolution of video compression standards, like H.263 or MPEG-2, and its implementation is only possible due to microelectronics progress. Its development is an example of a complex digital system design, and can be seen as a composition of modules that execute the different signal operations. The focus here is the methodology for building digital systems from functions already developed, in a design flow that facilitates reuse-based design and test. The case study, an H.264 decoder, is analyzed as a system made of several modules and the result is a SoC methodology fashioned for it. This work presents a description of how the decoder was developed, after the complete understanding of all the involved processing techniques and design implementation challenges.

Este trabalho apresenta uma arquitetura de hardware para a predição intra-quadro do padrão emergente HEVC de codificação de vídeo. O padrão HEVC está sendo desenvolvido tendo como principal objetivo o aumento em 50% na eficiência de compressão, quando comparado com o padrão H.264/AVC, atual padrão estado da arte na codificação de vídeos. Para atingir este objetivo, várias novas ferramentas de codificação foram desenvolvidas para serem introduzidas no novo padrão HEVC. Embora essas novas ferramentas tenham obtido êxito em aumentar a eficiência de compressão do novo padrão HEVC, elas também colaboraram para o aumento da complexidade computacional no processo de codificação. Analisando somente os avanços na predição intra-quadro, em comparação com o padrão H.264/AVC, é possível perceber que vários novos modos direcionais de codificação foram inseridos no processo de predição. Além disso, existem mais tamanhos de blocos que podem ser considerados pela predição intra-quadro. Nesse contexto, este trabalho propõe o uso de duas abordagens para melhorar o desempenho da predição intra-quadro em codificadores HEVC. Primeiramente, foram desenvolvidos algoritmos rápidos de decisão de modo, baseados em heurísticas, para a predição intra-quadro. Os resultados mostraram que é possível reduzir a complexidade computacional do processo de predição intra-quadro com pequenas perdas na eficiência de compressão (taxa de bits e qualidade visual). No pior caso, a perda foi de 6.9% na taxa de bits e de 0.12dB na qualidade, para uma redução de 35% no tempo de processamento. Em seguida, utilizando um dos algoritmos desenvolvidos, uma arquitetura de hardware para a predição intra-quadro foi desenvolvida. Além da redução de complexidade proporcionada pelo uso do algoritmo desenvolvido, técnicas de desenvolvido de hardware, tais como aumento no nível de paralelismo e uso de pipeline, também foram utilizadas para melhorar o desempenho da arquitetura desenvolvida. Os resultados de síntese da arquitetura para a tecnologia IBM 0,65um mostram que ela é capaz de operar a 500MHz, atingindo uma taxa de processamento suficiente para realizar a predição intra-quadro de mais de 30 quadros por segundo para resoluções como Full HD (1920x1080pixels). / This work presents an intra-frame prediction hardware architecture targeting the emerging HEVC video coding standard. The HEVC standard is being developed with the main goal of increase the compression efficiency in 50% when compared to the latest H.264/AVC video coding standard. To achieve such a goal, several new video coding strategies were developed to be used in the HEVC. Although these strategies have increased the compression efficiency of the emerging HEVC standard, it also increased the computational complexity of the encoding process. Looking only to the intra prediction process, several new directional modes are used to perform the prediction. Besides, there are more block sizes that can be supported by the intra prediction process. This work proposes to use two different approaches to improve the HEVC intra prediction performance. First we developed fast intra mode decision algorithms, showing that it is possible to decrease the intra prediction computational complexity with negligible loss in the compression performance (bit-rate and video quality). In the worst case, the bit-rate loss was 6.99% and the PSNR loss was 0.12dB in average allowing reducing the encoding time up to 35%. Then, using the developed fast algorithms as base, this work proposes an intra prediction hardware architecture. The designed architecture was specifically based on one of the developed fast intra mode decision algorithms. Besides, hardware techniques such as increase the parallelism level and pipeline were also used to improve the intra prediction performance. The synthesis results for the IBM 0.65nm have shown that the architecture is able to achieve 500MHz as maximum operation frequency. This way, the architecture throughput is enough to perform the intra prediction process for more than 30 frames per second considering high resolution digital videos, such as Full HD (1920x1080).

Esta dissertação apresenta o desenvolvimento de arquiteturas para a compressão JPEG, onde são apresentadas arquiteturas de um compressor JPEG para imagens em tons de cinza, de um compressor JPEG para imagens coloridas e de um conversor de espaço de cores de RGB para YCbCr. As arquiteturas desenvolvidas são detalhadamente apresentadas, tendo sido completamente descritas em VHDL, com sua síntese direcionada para FPGAs da família Flex10KE da Altera. A arquitetura integrada do compressor JPEG para imagens em tons de cinza possui uma latência mínima de 237 ciclos de clock e processa uma imagem de 640x480 pixels em 18,5ms, permitindo uma taxa de processamento de 54 imagens por segundo. As estimativas realizadas em torno da taxa de compressão obtida indicam que ela seria de aproximadamente 6,2 vezes ou de 84 %. A arquitetura integrada do compressor JPEG para imagens coloridas foi gerada a partir de adaptações na arquitetura do compressor para imagens em tons de cinza. Esta arquitetura também possui a latência mínima de 237 ciclos de clock, sendo capaz de processar uma imagem coloria de 640 x 480 pixels em 54,4ms, permitindo uma taxa de processamento de 18,4 imagens por segundo. A taxa de compressão obtida, segundo estimativas, seria de aproximadamente 14,4 vezes ou de 93 %. A arquitetura para o conversor de espaço de cores de RBG para YCbCr possui uma latência de 6 ciclos de clock e é capaz de processar uma imagem colorida de 640x480 pixels em 84,6ms, o que permite uma taxa de processamento de 11,8 imagens por segundo. Esta arquitetura não chegou a ser integrada com a arquitetura do compressor de imagens coloridas, mas algumas sugestões e estimativas foram realizadas nesta direção. / This dissertation presents the design of architectures for JPEG image compression. Architectures for a gray scale images JPEG compressor that were developed are herein presented. This work also addresses a color images JPEG compressor and a color space converter. The designed architectures are described in detail and they were completely described in VHDL, with synthesis directed for Altera Flex10KE family of FPGAs. The integrated architecture for gray scale images JPEG compressor has a minimum latency of 237 clock cycles and it processes an image of 640x480 pixels in 18,5ms, allowing a processing rate of 54 images per second. The compression rate, according to estimates, would be of 6,2 times or 84%, in percentage of bits compression. The integrated architecture for color images JPEG compression was generated starting from incremental changes in the architecture of gray scale images compressor. This architecture also has the minimum latency of 237 clock cycles and it can process a color image of 640 x 480 pixels in 54,4ms, allowing a processing rate of 18,4 images per second. The compression rate, according to estimates, would be of 14,4 times or 93%, in percentage of bits compression. The architecture for space color conversor from RBG to YCbCr has a latency of 6 clock cycles and it is able to process a color image of 640 x 480 pixels in 84,6ms, allowing a processing rate of 11,8 images per second. This architecture was finally not integrated with the color images compressor architecture, but some suggestions, alternatives and estimates were made in this direction.